反滲透濃縮液：市政污水再生回用面臨的新挑戰(zhàn)

全康環(huán)保:市政污水再生回用可為城市提供新興替代水源，緩解日益緊張的水資源短缺危機(jī)。生物處理耦合反滲透（RO）工藝，可將市政污水回用產(chǎn)生高純水，具有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)有效性。然而，基于生物處理和RO相結(jié)合的工藝，市政污水中大部分的細(xì)菌、病毒、鹽分、難降解有機(jī)物等都將在RO單元被截留，并最終進(jìn)入RO濃縮液（ROC）。隨著市政污水再生規(guī)模的快速增長(zhǎng)，ROC的體積也不斷增加，ROC的有效處理逐漸成為市政污水再生回用過(guò)程中不可忽視的新挑戰(zhàn)。針對(duì)該問(wèn)題，新加坡南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了思考，相關(guān)成果新進(jìn)發(fā)表于Chemical Engineering Journal期刊。文章系統(tǒng)總結(jié)了目前市政污水再生回用的主導(dǎo)工藝，ROC的來(lái)源與特征，ROC帶來(lái)的挑戰(zhàn)，ROC后處理技術(shù)及其對(duì)回用工藝能耗的影響。最后，提出了一種創(chuàng)新的厭氧納濾膜生物反應(yīng)器（AnNFMBR）-RO工藝實(shí)現(xiàn)市政污水主流處理回用，并利用頻繁倒極電滲析（EDR）和臭氧氧化技術(shù)處理ROC后使其回流到主流工藝，在可接受的能源需求下最終實(shí)現(xiàn)近零液體排放。

市政污水再生回用中ROC的來(lái)源和組成

水資源短缺是一項(xiàng)全球性挑戰(zhàn)。通過(guò)探索替代水源，例如市政污水，將其回收為高質(zhì)再生水可為未來(lái)的城市供水提供新途徑。越來(lái)越多的國(guó)家，例如中國(guó)、瑞士、澳大利亞、新加坡、以色列等，都在積極探索將市政污水再生回用作為替代水源。目前，各種生物處理工藝與反滲透（RO）技術(shù)相結(jié)合，如常規(guī)活性污泥（CAS）工藝-微濾（MF）或超濾（UF）-RO，膜生物反應(yīng)器（MBR）-RO組合工藝等，可將市政污水再生回用為高純水，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，應(yīng)該意識(shí)到，市政污水中的細(xì)菌、病毒、鹽分、難降解有機(jī)物等都將在RO單元被截留，并最終進(jìn)入RO濃縮液（ROC）。目前，用于市政污水再生回用的RO裝置的產(chǎn)水率通常約為50~85%。這意味著ROC中濃縮的污染物的濃度會(huì)是市政污水中初始濃度的約2~7倍。而隨著市政污水回用工藝處理規(guī)模的增加，產(chǎn)生ROC的體積會(huì)進(jìn)一步增加，成為市政污水再生回用系統(tǒng)中的新挑戰(zhàn)。

ROC組成取決于上游處理工藝的類型和RO處理單元的性能。例如，典型市政污水中的總?cè)芙夤腆w（TDS）濃度約為500~1000 mg /L，由于CAS-MF/UF幾乎無(wú)法有效去除TDS，因此ROC中的TDS濃度可能高達(dá)1000~5000 mg/L。此外，根據(jù)上游生物處理單元的性能，ROC中也可能含有氨氮和磷酸鹽。一般而言，市政污水中氨氮和磷酸鹽的平均濃度為40 mg N/L和5 mg P/L。在AnMBR-RO工藝中，由于AnMBR對(duì)氨氮和磷酸鹽幾乎沒(méi)有去除，而RO單元截留95%以上的氨氮和磷酸鹽。因此，ROC中的氨氮和磷酸鹽濃度分別可達(dá)150 mg/L和20 mg/L。表1總結(jié)了市政污水再生回用過(guò)程中產(chǎn)生的ROC的水質(zhì)特征。此外，ROC還包含約24.5~184 mg /L的殘留COD，120 mg/L的二氧化硅，重金屬和其他新興的微污染物（例如病原體，抗藥性細(xì)菌，消毒副產(chǎn)物，個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品）等。

隨著市政污水再生回用技術(shù)的發(fā)展，基于RO回用工藝產(chǎn)生的ROC體積不可再被忽略。在沿海城市，ROC可考慮直接排海。而對(duì)于內(nèi)陸城市，理想的情況是將ROC回流到主流生物處理工藝中。但是，由于ROC中含有難降解有機(jī)物，且回流會(huì)顯著提高鹽度水平，影響生物處理效果。因此，對(duì)于市政污水回用過(guò)程中產(chǎn)生的ROC，迫切需要探索具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益的后處理方案及技術(shù)。

表1市政污水再生回用產(chǎn)生的ROC特征

ROC后處理技術(shù)

高級(jí)催化氧化工藝，包括UV、光催化、臭氧氧化、Fenton、電化學(xué)氧化等可被用于市政污水回用產(chǎn)生的ROC中難降解有機(jī)化合物和新型微污染物的處理。例如，F(xiàn)enton、光催化、電化學(xué)氧化等可去除市政污水回用中產(chǎn)生的ROC中50%以上的有機(jī)物，臭氧可將ROC中有機(jī)物的生物降解能力提高1.8~3.5倍等。然而，高級(jí)催化氧化技術(shù)不能有效地去除ROC中的TDS和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而高鹽分對(duì)高級(jí)氧化的效率也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此ROC的后處理工藝中還需進(jìn)一步考慮鹽分的去除。RO、電滲析（ED）和頻繁倒極電滲析（EDR）工藝等可以對(duì)ROC進(jìn)行脫鹽處理。例如，對(duì)電導(dǎo)率為3.90至4.14 mS/cm的ROC，在30?C50 A/m2的電流密度下，ED可去除約80％的鹽度。與ED相似，EDR可以通過(guò)周期反轉(zhuǎn)電極，去除離子交換膜上的膜污染。臭氧-生物活性炭-電容去離子（CDI）工藝可也有效降低ROC的鹽度。正向滲透（FO）、壓力延遲滲透（PRO）、膜結(jié)晶、膜蒸餾（MD）和蒸餾技術(shù)（機(jī)械蒸氣壓縮、多級(jí)閃蒸、多效蒸餾）等對(duì)ROC的處理，也引起了越來(lái)越多的關(guān)注。由于這些除鹽技術(shù)具有較高的能耗，多用于高濃度鹽分的去除，然而對(duì)于市政污水回用過(guò)程中產(chǎn)生的ROC，其處理的工程可行性和經(jīng)濟(jì)可行性尚待探索。文章第三節(jié)詳細(xì)介紹了適用于市政污水再生工藝中產(chǎn)生的ROC后處理的工藝，并通過(guò)對(duì)比ROC后處理的能量需求，考慮市政污水再生工藝中產(chǎn)生的ROC的TDS的濃度范圍，認(rèn)為RO和ED/EDR似乎是在當(dāng)前可用的脫鹽工藝中的最實(shí)際可行的選擇。

由于ROC的后處理過(guò)程需要不同的工藝組合，因此工藝的選擇需要根據(jù)ROC的特征和所需處理的要求而定。需要注意的是，與ROC后處理相關(guān)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本必須系統(tǒng)評(píng)估，并納入總體污水再生成本中（表2）。

表2 ROC后處理+市政污水再生回用工藝能耗分析

AnNFMBR-RO工藝耦合EDR和臭氧氧化技術(shù)：為實(shí)現(xiàn)閉合水循環(huán)提供了可能

從表2可以看出，ROC的后處理改變了市政污水再生的運(yùn)行能耗。據(jù)此，文章認(rèn)為提高主流市政污水處理工藝中RO的產(chǎn)水率，以減少ROC體積，無(wú)疑將有助于ROC的后處理，在可接受的能源需求下最終實(shí)現(xiàn)零液體排放?；诖?，文章提出了一種新型厭氧納濾膜生物反應(yīng)器（AnNFMBR）-RO工藝以實(shí)現(xiàn)市政污水的主流處理回用，并利用EDR和臭氧技術(shù)處理ROC，使其回流到主流處理工藝，實(shí)現(xiàn)閉合水環(huán)路（圖1）。此工藝可將市政污水進(jìn)水中的COD直接在AnNFMBR單元中轉(zhuǎn)化為沼氣以回收能源，通過(guò)NF對(duì)二價(jià)離子和大分子有機(jī)物的出色截留，使得AnNFMBR的出水具有較低濃度的有機(jī)物和鹽類，也有助于減少后續(xù)RO膜污染。RO單元可進(jìn)一步截留AnNFMBR出水中95%的殘留有機(jī)物、養(yǎng)分和主要鹽分，并累積在ROC中。

在TDS濃度小于5000 mg/L的情況下，EDR作為ROC的后處理技術(shù)更具成本效益。與RO相比，EDR具有以下優(yōu)點(diǎn)：更長(zhǎng)的膜壽命、更高的膜阻垢性能、更強(qiáng)的化學(xué)清洗藥劑（含氯藥劑等）抵抗力。市政污水再生回用產(chǎn)生的ROC中的TDS平均濃度為2500 mg/L，假設(shè)EDR的水回收和脫鹽率為90%，則EDR滲透液中的TDS可以降低至250 mg/L。但是ROC同時(shí)含有較高濃度的難生物降解COD，因此EDR滲透液需進(jìn)一步通過(guò)臭氧處理，以提高殘留COD的生物降解性能，同時(shí)殺死或破壞細(xì)菌、病毒和抗性基因等。經(jīng)過(guò)臭氧進(jìn)一步處理的ROC可返回到主流生物處理單元。剩下的1.0%的高鹽度濃水可通過(guò)鹽水結(jié)晶等工藝進(jìn)行最終結(jié)晶。同時(shí)，文章第五節(jié)對(duì)AnNFMBR-RO與EDR和臭氧化技術(shù)相結(jié)合工藝的能耗進(jìn)行了分析估算。這為實(shí)現(xiàn)市政污水處理的零液體排放提供了重要參考與借鑒。

圖1 AnNFMBR-RO耦合EDR和臭氧氧化技術(shù)

展望

面對(duì)全球水資源日益短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)，市政污水作為一種潛在的寶貴資源可通過(guò)可再生循環(huán)成為新興水源。然而，在市政污水再生過(guò)程中產(chǎn)生的ROC因其TDS、難降解的有機(jī)物、養(yǎng)分、新興的微污染物等高含量逐漸成為新的污染源，對(duì)水資源的環(huán)境可持續(xù)性提出了新的挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)ROC的后處理勢(shì)在必行。但是，隨著ROC的后處理，不可避免地會(huì)增加與市政污水再生相關(guān)的總體設(shè)備與運(yùn)行成本。解決ROC的可行工程方案是通過(guò)提高RO的水回收率，以便最大程度地減少ROC的體積。在這一理念的基礎(chǔ)上，文章所提出的新型的厭氧AnNFMBR-RO結(jié)合EDR和臭氧化技術(shù)，有望能實(shí)現(xiàn)99%的水循環(huán)利用，最終實(shí)現(xiàn)近零液體排放。隨著各國(guó)大力推進(jìn)清潔能源的開(kāi)發(fā)與利用，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)RO和EDR可以由可再生能源（例如太陽(yáng)能）提供動(dòng)力，大大減少對(duì)化石燃料的依賴。同時(shí)，富含各種礦物質(zhì)的EDR濃縮液可視為一種可持續(xù)的資源，以實(shí)現(xiàn)最大化的資源回收。

綜上，本文關(guān)于ROC的思考可為未來(lái)城市構(gòu)建閉路水循環(huán)系統(tǒng)提供重要的參考，助推城市的可持續(xù)性發(fā)展。